Manim实现阴影特效

本文将详细介绍如何在Manim中实现2D和3D阴影特效，提升动画的视觉层次感和真实感。
1. 实现原理

Manim中的阴影特效主要通过创建对象副本、调整透明度、应用变换和模糊效果来实现。
下面我们将结合代码详细解析其实现原理。
1.1. 3D阴影实现原理

3D阴影效果更加复杂，需要考虑空间感和光影关系。
代码中提供了两种3D阴影实现：基础版Shadow3D和增强版RealisticShadow3D。

1. class Shadow3D(Animation):
2.     def __init__(
3.         self,
4.         mobject,
5.         shadow_color=BLACK,
6.         shadow_opacity=0.3,
7.         blur_radius=0.1,
8.         direction=DOWN + RIGHT,
9.         distance=0.5,
10.         sharpness=1.0,
11.         **kwargs
12.     ):
13.         # 创建阴影对象
14.         self.shadow = mobject.copy()
15.         self.shadow.set_color(shadow_color)
16.         self.shadow.set_fill(opacity=shadow_opacity)
17.         self.shadow.set_stroke(opacity=shadow_opacity)
18.         
19.         # 设置阴影位置
20.         shadow_offset = direction * distance
21.         self.shadow.shift(shadow_offset)
22.         
23.         # 使用单个对象和变换创建模糊效果
24.         self.shadow_blur = None
25.         if blur_radius > 0:
26.             self.shadow_blur = self.shadow.copy()
27.             scale_factor = 1.0 + (1.0 - sharpness) * 0.1
28.             opacity_factor = 0.5 + (1.0 - sharpness) * 0.3
29.             self.shadow_blur.scale(scale_factor)
30.             self.shadow_blur.set_fill(opacity=shadow_opacity * opacity_factor)
31.             self.shadow_blur.set_stroke(opacity=shadow_opacity * opacity_factor)
32.         
33.         # 创建对象组
34.         if self.shadow_blur:
35.             self.shadow_group = VGroup(self.shadow_blur, self.shadow, mobject)
36.         else:
37.             self.shadow_group = VGroup(self.shadow, mobject)
38.         
39.         super().__init__(self.shadow_group, **kwargs)

复制代码

Shadow3D类在2D阴影的基础上增加了锐度参数(sharpness)和模糊处理，通过调整缩放因子和透明度来模拟不同锐度的阴影效果。
值得注意的是，为了优化性能，代码采用了单个对象和变换来创建模糊效果，而不是多个副本，大大减少了渲染开销。
1.2. 增强版3D阴影实现

1. class RealisticShadow3D(Animation):
2.     def __init__(
3.         self,
4.         mobject,
5.         shadow_color=BLACK,
6.         shadow_opacity=0.4,
7.         blur_radius=0.2,
8.         direction=DOWN + RIGHT,
9.         distance=0.5,
10.         light_source=3 * UP + 3 * RIGHT + 3 * OUT,
11.         **kwargs
12.     ):
13.         # 存储光源位置
14.         self.light_source = light_source
15.         
16.         # 创建阴影对象和位置设置
17.         self.shadow = mobject.copy()
18.         self.shadow.set_color(shadow_color)
19.         self.shadow.set_fill(opacity=shadow_opacity)
20.         self.shadow.set_stroke(opacity=shadow_opacity)
21.         
22.         shadow_offset = direction * distance
23.         self.shadow.shift(shadow_offset)
24.         
25.         # 模糊效果处理
26.         self.shadow_blur = None
27.         if blur_radius > 0:
28.             self.shadow_blur = self.shadow.copy()
29.             self.shadow_blur.scale(1.05)  # 轻微放大
30.             self.shadow_blur.set_fill(opacity=shadow_opacity * 0.7)
31.             self.shadow_blur.set_stroke(opacity=shadow_opacity * 0.7)
32.         
33.         # 创建对象组
34.         if self.shadow_blur:
35.             self.shadow_group = VGroup(self.shadow_blur, self.shadow, mobject)
36.         else:
37.             self.shadow_group = VGroup(self.shadow, mobject)
38.         
39.         super().__init__(self.shadow_group, **kwargs)

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RealisticShadow3D类进一步增强了3D阴影的真实感，主要特点是加入了光源位置参数(light_source)，允许用户更精确地控制阴影的投射方向和形状，从而模拟出更真实的光照效果。
2. 使用示例

下面我们通过几个具体场景来展示如何使用这些阴影特效。
2.1. 3D阴影效果示例

1. class Shadow3DExample(ThreeDScene):
2.     def construct(self):
3.         # 创建3D对象
4.         cube = Cube(side_length=2, fill_opacity=0.8, fill_color=BLUE)
5.         sphere = Sphere(radius=1, fill_opacity=0.8, fill_color=RED)
6.         
7.         # 设置相机位置
8.         self.set_camera_orientation(phi=75 * DEGREES, theta=-45 * DEGREES)
9.         
10.         # 为3D对象添加阴影
11.         cube_shadow = Shadow3D(
12.             cube,
13.             shadow_color=GRAY,
14.             shadow_opacity=0.4,
15.             blur_radius=0.1,
16.             direction=DOWN + RIGHT,
17.             distance=0.3,
18.         )
19.         
20.         sphere_shadow = Shadow3D(
21.             sphere,
22.             shadow_color=GRAY,
23.             shadow_opacity=0.3,
24.             blur_radius=0.15,
25.             direction=DOWN + RIGHT,
26.             distance=0.4,
27.         )
28.         
29.         # 添加到场景并播放动画
30.         self.add(cube_shadow.shadow_group)
31.         self.add(sphere_shadow.shadow_group)
32.         
33.         cube.shift(2 * LEFT)
34.         sphere.shift(2 * RIGHT)
35.         
36.         self.play(FadeIn(cube_shadow.shadow_group), FadeIn(sphere_shadow.shadow_group))
37.         
38.         # 添加旋转和移动动画
39.         self.play(
40.             Rotate(cube_shadow.shadow_group, PI, axis=UP),
41.             Rotate(sphere_shadow.shadow_group, PI, axis=RIGHT),
42.             run_time=3,
43.         )
44.         
45.         self.play(
46.             cube_shadow.shadow_group.animate.shift(UP),
47.             sphere_shadow.shadow_group.animate.shift(DOWN),
48.             run_time=2,
49.         )
50.         
51.         self.wait()

复制代码

这个示例展示了如何在3D场景中使用阴影效果。通过设置相机位置和调整各种参数，可以创建出具有空间感的阴影效果。
代码还演示了如何将阴影效果与其他动画（如旋转和移动）结合使用。
2.2. 真实感3D阴影效果示例

1. class RealisticShadow3DExample(ThreeDScene):
2.     def construct(self):
3.         # 创建3D对象
4.         cone = Cone(base_radius=1, height=2, fill_opacity=0.8, fill_color=GREEN)
5.         cylinder = Cylinder(radius=1, height=2, fill_opacity=0.8, fill_color=YELLOW)
6.         
7.         # 设置相机位置
8.         self.set_camera_orientation(phi=75 * DEGREES, theta=-45 * DEGREES)
9.         
10.         # 为对象添加真实感3D阴影
11.         cone_shadow = RealisticShadow3D(
12.             cone,
13.             shadow_color=GRAY,
14.             shadow_opacity=0.5,
15.             blur_radius=0.2,
16.             direction=DOWN + RIGHT,
17.             distance=0.4,
18.             light_source=3 * UP + 3 * RIGHT + 3 * OUT,
19.         )
20.         
21.         cylinder_shadow = RealisticShadow3D(
22.             cylinder,
23.             shadow_color=GRAY,
24.             shadow_opacity=0.4,
25.             blur_radius=0.25,
26.             direction=DOWN + 0.5 * RIGHT,
27.             distance=0.5,
28.             light_source=3 * UP + 2 * LEFT + 2 * OUT,
29.         )
30.         
31.         # 添加到场景并播放动画
32.         self.add(cone_shadow.shadow_group)
33.         self.add(cylinder_shadow.shadow_group)
34.         
35.         cone.shift(2 * LEFT)
36.         cylinder.shift(2 * RIGHT)
37.         
38.         self.play(
39.             FadeIn(cone_shadow.shadow_group), FadeIn(cylinder_shadow.shadow_group)
40.         )
41.         
42.         # 添加旋转和移动动画
43.         self.play(
44.             Rotate(cone_shadow.shadow_group, PI, axis=UP),
45.             Rotate(cylinder_shadow.shadow_group, PI, axis=RIGHT),
46.             run_time=3,
47.         )
48.         
49.         self.play(
50.             cone_shadow.shadow_group.animate.shift(UP),
51.             cylinder_shadow.shadow_group.animate.shift(DOWN),
52.             run_time=2,
53.         )
54.         
55.         self.wait()

复制代码

这个示例展示了如何使用RealisticShadow3D类创建更真实的3D阴影效果。
通过设置不同的光源位置(light_source)，可以为不同的3D对象创建符合物理规律的阴影效果。
3. 总结

3.1. 阴影特效的特点

• 多层次实现：提供了从简单到复杂的多种阴影实现方式，适应不同场景需求。
  
• 参数化控制：所有阴影效果都提供了丰富的参数，如颜色、透明度、模糊半径、方向、距离等，方便精细调整。
  
• 性能优化：通过使用单个对象和变换来创建模糊效果，而不是多个副本，大大提高了渲染效率。
  
• 3D支持：专门提供了3D阴影实现，支持在3D场景中创建具有空间感的阴影效果。
  
• 真实感增强：增强版的RealisticShadow3D类考虑了光源位置，能够创建更符合物理规律的阴影效果。
  

3.2. 使用场景

• 数学可视化：为几何图形添加阴影，增强视觉层次感，帮助观众更好地理解空间关系。
  
• 文字动画：为标题和重点文字添加阴影效果，提高视觉冲击力。
  
• 图表展示：为数据图表添加阴影，增强立体感和可读性。
  
• 物理演示：模拟真实世界的光照和阴影效果，用于物理概念的讲解。
  
• 艺术创作：利用多层阴影和不同参数组合，创建独特的艺术效果。
  

通过本文介绍的阴影特效实现方法，您可以为Manim动画添加更加生动、立体的视觉效果，提升动画的专业度和观赏性。
无论是教学演示、学术报告还是艺术创作，这些阴影特效都能为您的作品增添亮点。

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